第14章杂环化合物方案

2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
2-呋喃甲醛(糠醛)
CHO
O
2-furan formaldehyde
COOH N
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
单杂环 五元杂环、六元杂环。
稠杂环 苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构
五
五元
一
元杂
4
3 (β ) 4
3(β ) 4
3 (β )
5
2 (α )
O1
5
2 (α )
S1
5
2 (α )
N1
H
呋喃
噻吩
吡咯
(furan) (thiophene) (pyrrole)
杂五
子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
5 6
C H3
4 3
7 8
N2
1
C H3
11,,44--二二甲甲基基异异喹喹啉啉
NH2
6
1N
5
N7
4 2
8
N
N
3
9
H
6-氨基嘌呤
6-氨基（嘌腺呤嘌（呤腺）嘌呤，A）
(1,4-dimethylisoquinoline) (6-aminopurine, adenine)
（三）吡咯的重要衍生物 P.306
1.血红素
CH CH2
H3C H3C
NN Fe
NN
CH3 CH
CH3
CH2
HOOCH2CH2C
CH2CH2COOH
血红素与蛋白质结合生成血红蛋白，其功能是在血液中 运送氧气和二氧化碳。0℃、0.1MPa 时，1g血红蛋白 可结合1.35mLO2，血红蛋白与CO的结合能力是与O2结 合能力的210倍。血红素1929年由Hans Fischer合成。
N
S 噻吩
N
N H 咪唑
HC
N3 C H
N1 H
C H
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。
水溶性比相应单杂环高。
（二）咪唑
1. 咪唑的酸碱性
结构特点：有一个氮原子的孤电子对未参与杂化， 既能与水形成氢键，又能与质子结合。
N H
N H 咪唑
H3C N
N H
NH
N H
NH N H
H3C
H N
N
N
N H 咪唑 pKa(共轭酸) 7.4
N H 吡咯
0.4
P.314
互变异构
2.含咪唑环的氨基酸——组氨酸
N
N H
CH2CHCO O H
NH2
B-
R HN N
HA
组氨酸(histamine acid)
它是构成酶的活性中心的重要基团，具有独特的 化学性质。在生理环境中，它既能接受质子， 又能解离质子。尤其是它还具有在环的一端接 受质子，而在环的另一端给出质子的功能， 起到一种质子传递的作用。
Br2, 0℃
O O O 稀释
Br (86 %) O
Br
Br
Br
Br
Br2, 0℃
NBS
N H
EtOH
N
H
Br N H
1.亲电取代反应 小 结：
因吡咯、呋喃、噻吩的环上电子云密度比苯大， 故比苯活泼。取代基进入α 位。
亲电取代反应活性：吡咯>呋喃>噻吩>苯。
吸电子诱导：O(3.5) > N(3.0) > S(2.6) 给电子共轭：N > O > S 综合：N贡献电子最多，O其次，S最少
H
Α-呋喃磺酸或 H
呋喃-2-磺酸
（1）磺化反应
浓H2SO4
S
室温
SO3H S
浓H2SO4 室温
噻吩环较稳定，磺化可在室温下直接使用浓硫酸， 生成的α-噻吩磺酸溶于浓硫酸。苯在室温下不与浓 硫酸反应，据此，常用浓硫酸洗涤来除去苯中的噻吩。
（2）硝化反应
呋喃,吡咯和噻吩易氧化, 一般不用硝酸直接硝化; 通常用比较温和的非质子硝化剂，且在低温下进行。
Z Z
呋喃、噻吩和吡咯的结构
Z= O、S、N
π 杂原子均为sp2杂化，形成的都是
6 5
Байду номын сангаас
1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
吡咯的结构：
Pyrole is an amine and a conjugated diene, however its chemical properties are not consistent with either of structural features
氮 咪 唑 和 嘧 啶
H
H
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀：
氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（1）
NH CH2
O
N
N
NN H
激动素（一种植物激素）
（2）
N C H3
N
Cl
+
CH2 N
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
137pm
143pm
-0.06 富有电子的大π键。电子离域的
-0.10 138pm N +0.32
结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相
H
当于酚羟基），键长在一定程度
吡咯的电荷分布和键长 上发生平均化。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
（1930获诺奖）
（三）吡咯的重要衍生物 2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
（三）吡咯的重要衍生物
3.维生素B12
第14章 杂环化合物
内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名
（一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
NH2
S C H2C H2O H
C H3
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
4
3β
5
2α
其中以吡啶和嘧啶最为重要
1.基本杂环结构 稠杂环（苯环与杂环稠合）
5 6
7 8
4
3 2
N
1
喹啉 (quinoline)
5 6
7 8
4 3
N2 1
异喹啉 (isoquinoline)
4 5
6 7
3 2 N1
H
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6
1N 5 24
N
3
N7
8 N9
1926年发现肝脏提取 液可治疗恶性贫血， 1948年得到纯品暗红 色的结晶物。1954年 测得其结构。
合成工作在Woodward 的组织下前后有19个国 家的一百多位化学家参 加，经95步反应，历时 11年，于1972年宣告完 成。VB12的合成被成为 有机化学界的“阿波罗 登月”。
(四)、含两个杂原子的五元杂环化合物 （一）唑的结构和物理性质
一、杂环化合物的定义、分类与命名
O
O
环氧乙烷
N H
O O
O
O
N
H
O
氮杂环丙烷 γ-丁酸内酯 γ-丁内酰胺 马来酸酐
这些化合物中虽然含有杂原子，但不稳定 易开环，性质类似于开链化合物。习惯上认为 的杂环化合物是：
定义：含有杂原子，具有芳香性或一定程度稳 定性的环状化合物叫杂环化合物。
一、杂环化合物的定义、分类与命名 （二）杂环化合物的分类和命名
（1）磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会
发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶
与三氧化硫的加合物。
CH2Cl2 N + SO3
室温
N SO3
N SO3
N
100℃
H
N SO3
O
ClCH2CH2Cl r.t.days
HCl
SO3-
N
N
H
H
SO3H N H
HCl
SO3-
O
N
O
SO3H + N Cl
+N N N H
SO3H
NN N H
SO3H
呋喃和噻吩不能偶联，说明吡咯环电子密度高。
（三）吡咯的重要衍生物(P.306)
与生命有着密切关系的两大色素：叶绿素和血红 素，以及维生素B12都含有卟吩环。
NH N N HN
卟吩(porphine)
卟吩(porphine)是由4个吡咯环的α碳原子通过次甲基 （-CH=）相连而成的复杂的共轭体系，成环的原子 共平面，有26个π电子，符合4n+2的规则，有芳香性， 其取代物则称为卟啉（porphyrin）。
第14章 杂环化合物
杂环化合物广泛地存在于自然界，是有机化 合物中数目最庞大的一类。邢其毅先生在给花 文廷《杂环化合物》一书的序言中写到：杂环 化合物占有机化合物总数的65%，论文占有机 化学的1／3…..。
生物体内具有重要生理功能的两大色素： 血红素和叶绿素具有杂环；
对生物的生长、繁殖、遗传、变异起决定性 作用的核酸具有杂环。
元
环二
杂
4 N3
5
2
S1
噻唑
4
3
5 N2 N1
H
吡唑
4 N3
5
2
N1
H
咪唑
(thiazole) (pyrazole) (imidazole)
1. 基本杂环结构
六元杂环：
4
4
5
35
3
6
26
N2
N
N
1
1
4
4
4
5
N3 5 N 3 5
3
6
26
26
2
N
N
O
1
1
1
吡啶
哒嗪
嘧啶
吡嗪
吡喃
(pyridine) (pyridazine) (pyrimidine) (pyrazine) (pyran)
O 1 CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
N S CH3
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
H3C N
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，
依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原
2. 加成反应 （自学）
3.吡咯的特殊性质
（1） 吡咯的酸碱性 苯酚 吡咯 乙醇 氨
Ka 1.3×10-10 10-15
10-18
10-35
Na 或 K
N
或浓NaOH
H
N K+
+ CH3MgI
N H
+ CH4
N
MgI
吡咯可将格氏试剂分解，说明分子中有酸性氢。
3.吡咯的特殊性质 （2） 吡咯的偶联
32
4
1
O
AcONO2 -5 - -30oC
32
H
H
AcO 4 O 1 NO2
吡啶 5℃
O
NO2
2-硝基呋喃
呋喃的硝化比较特殊,相当于先进行1，4—加成, 然后再加热或用吡啶除去乙酸,得到硝化产物。
（3）卤代反应
反应强烈，易得多卤取代物。为了得一卤代(Cl, Br)产物，要采用低温、溶剂稀释等温和条件。
1. 亲电取代反应
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。
（2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚 合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子 化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N
N
H
H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
137pm
143pm
-0.06 富有电子的大π键。电子离域的
-0.10 138pm N +0.32
结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相
H
嘌呤
(purine)
89 1
7
2
6
3
5
N
10
4
吖啶
(acridine)
几个重要的含氮杂环化合物
吲4
4
4
3 (β ) 4 N 3 5
35
N3
间
哚
5
2 (α )
N1
5
2
N1
喹 啉
吡H咯
H
咪唑
左 54
5 36
并6 苯7
2 N1
7 8
6
2
N
1
吡啶
6
2
N
1
嘧啶
4
3 2
N
1
6 1N 5 24
N
3
N7
8 N9
=
= =
OO CH3COCCH3 + HNO3
O CH3CONO2 + CH3COOH
乙酰硝酸酯
O
+ CH3CO NO2 N H
Ac2O 50℃
NO2 N H
α-硝基吡咯83%
NO2
+ N H
β-硝基吡咯 17%
（2）硝化反应
O
=
S
+ CH3CONO2
Ac2O 0℃
+
NO2
S
NO2
S
2-硝基噻吩（主）
H
当于酚羟基），键长在一定程度
吡咯的电荷分布和键长 上发生平均化。
1. 亲电取代反应
α取代
+ E+ X
β取代
E XH
E H
X
E
X
H
E H
X
E
X
H
八隅体 结构最稳定
亲电取代反应发生在α-位时，反应活性中间体的 正电荷能够得到更有效地分散，体系能量较低反应 易于进行。所以：
五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在α-位
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构 结构特点：
杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ·mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构